Quelles raisons scientifiques nous poussent à croire en l’existence d’univers parallèles ?

L’idée d’univers parallèles, autrefois reléguée dans le domaine de la science-fiction, est en train de se faire une noblesse parmi les scientifiques, au moins parmi les physiciens qui ont tendance à pousser les idées vers les limites du concevable. En fait il y a presque trop d’autres univers potentiels. Les physiciens ont proposé plusieurs formes de « multivers », chacune rendue possible par un aspect différent des lois de la physique.

Dans au moins certains des univers alternatifs, on a imaginé l’existence d’êtres vivants qui mènent une vie ressemblant à la nôtre presque à l’identique. Cette idée chatouille notre ego et éveille nos fantasmes, ce qui explique sans doute la popularité des théories multivers. Nous avons adopté des univers alternatifs dans les œuvres de fiction allant du Maître du Haut Château, un roman uchronique de Philip K. Dick, à des films comme Pile et Face.

En effet, l’idée d’un multivers n’a rien de nouveau, comme la théologienne Mary-Jane Rubenstein l’explique dans son livre de 2014 Mondes sans fin. Au milieu du XVIe siècle, Copernic a fait valoir que la Terre n’était pas le centre de l’Univers. Plusieurs décennies plus tard, le télescope de Galilée a révélé une multitude d’étoiles : un aperçu de l’immensité du cosmos.

Ainsi, à la fin du XVIe siècle, le philosophe italien Giordano Bruno a supposé que l’Univers pourrait être infini, composé d’un nombre infini de mondes habités. L’idée d’un Univers contenant de nombreux systèmes solaires est devenue monnaie courante au XVIIIe siècle.

Au début du XXe siècle, le physicien irlandais Edmund Fournier d’Albe a même émis l’hypothèse qu’il pourrait y avoir une régression infinie d’univers « imbriqués » à différentes échelles. De ce point de vue, un atome individuel pourrait ressembler au système solaire réel.

Aujourd’hui, les scientifiques rejettent cette notion de multivers « poupée russe », mais ils ont imaginé plusieurs autres façons dont les multivers pourraient exister. Voici cinq d’entre elles, ainsi qu’une évaluation sommaire de leur probabilité.

L’univers patchwork

Le multivers le plus simple est une conséquence de la taille infinie de notre Univers. Nous ne savons pas vraiment si l’Univers est infini, mais nous ne pouvons pas l’exclure. Si c’est le cas, alors il doit être divisé en une mosaïque de régions qui ne peuvent pas se voir. Tout simplement parce que ces régions sont trop éloignées pour que la lumière franchisse la distance. Notre Univers est âgé de seulement 13,8 milliards d’années, de sorte que toutes les régions plus lointaines sont complètement coupées.

Mais elles ne resteront pas séparées éternellement : la lumière finira par franchir le fossé et les univers fusionneront. Si notre Univers contient vraiment un nombre infini d’« univers-îles » comme le nôtre, avec de la matière, des étoiles et des planètes, il doit y avoir des mondes identiques à la Terre, quelque part très loin.

Il peut sembler très peu probable que les atomes puissent se réunir par hasard dans une réplique exacte de la Terre, ou une réplique avec pour seule différence la couleur de vos chaussettes. Mais dans une véritable infinité de mondes, même ce lieu étrange doit exister. En fait, il doit exister un nombre incalculable de fois.

Dans la même logique, quelque part très loin il y a tout un univers observable identique au nôtre. Sa distance peut être estimée à environ 10 puissance 10 puissance 118 mètres.

Il est possible que ce ne soit pas du tout le cas. Peut-être que l’Univers n’est pas infini. Ou même s’il l’est, peut-être que toute la matière est concentrée dans la partie où nous vivons, auquel cas la plupart d’autres univers pourraient être vides. Mais il n’y a aucune raison évidente pour que cela arrive, et aucun signe jusqu’à présent que la matière perd en concentration avec l’éloignement.

Le multivers inflationniste

La deuxième théorie multivers découle de nos meilleures idées sur la façon dont notre propre Univers a commencé. Selon la vision dominante du Big Bang, l’Univers a commencé comme un point infiniment petit et s’est ensuite étendu à une vitesse incroyable dans une boule de feu super chauffée. Une fraction de seconde après le début de cette expansion, il peut avoir fugitivement accéléré le rythme, en dépassant nettement la vitesse de la lumière. Cette explosion est appelée « inflation ».

La théorie inflationniste explique pourquoi l’Univers est relativement uniforme partout où nous regardons. L’inflation a fait sauter la boule de feu à une échelle cosmique avant qu’elle ne devienne trop grumeleuse.

Toutefois, cet état primordial aurait été altéré par de minuscules variations aléatoires, également provoquées par l’inflation. Ces fluctuations sont maintenant conservées dans le rayonnement de fond cosmologique, la faible rémanence du Big Bang. Ce rayonnement imprègne l’Univers, mais il n’est pas parfaitement uniforme.

Plusieurs télescopes satellitaires ont tracé ces variations dans les moindres détails, et les ont comparées à celles prédites par la théorie inflationniste. Les résultats laissent supposer que l’inflation a vraiment eu lieu.

Cela donne à penser que nous pouvons comprendre comment le Big Bang est arrivé – dans ce cas, on peut raisonnablement se demander s’il est arrivé plus d’une fois. Selon la vision actuelle, le Big Bang est arrivé quand un patch de l’espace ordinaire, ne contenant pas de matière, mais rempli d’énergie, est apparu dans un autre type d’espace appelé le « faux vide ». Il a ensuite grandi comme une bulle en expansion.

Mais, selon cette théorie, le faux vide devrait également éprouver une sorte d’inflation, qui provoque son expansion à une vitesse fantastique. Pendant ce temps, d’autres univers de bulles de « vrai vide » peuvent y apparaître, et cela en permanence. Ce scénario est appelé « l’inflation éternelle ». Il suggère qu’il y a beaucoup, peut-être un nombre infini, d’univers qui apparaissent et grandissent tout le temps. Mais nous ne pouvons jamais les atteindre, même en nous déplaçant à la vitesse de la lumière, parce qu’ils reculent trop vite pour que nous puissions les rattraper.

L’astronome britannique Martin Rees suggère que la théorie multivers inflationniste représente une « quatrième révolution copernicienne » : la quatrième fois que nous avons été contraints de rétrograder notre statut dans ce monde. D’après l’hypothèse émise par Copernic selon laquelle la Terre est une planète parmi d’autres, nous avons réalisé que notre Soleil est juste une étoile dans notre galaxie, et que d’autres étoiles pourraient avoir des planètes. Puis nous avons découvert que notre galaxie est juste une parmi d’innombrables autres dans un Univers en expansion. Et maintenant, que notre Univers est peut-être tout simplement l’un parmi une multitude d’autres.

Nous ne savons pas encore avec certitude si la théorie inflationniste est vraie. Toutefois, si l’inflation éternelle crée un multivers à partir d’une série sans fin de Big Bangs, il pourrait aider à résoudre l’un des problèmes les plus importants de la physique moderne.

Certains physiciens ont longtemps été à la recherche d’une « théorie de tout » : un ensemble de lois fondamentales, ou peut-être juste une seule équation, dont tous les autres principes de la physique pourraient être dérivés. Mais ils ont découvert qu’il y a plus d’options possibles que de particules fondamentales dans l’univers connu.

Beaucoup de physiciens qui travaillent dans ce domaine pensent qu’une idée appelée la théorie des cordes est la meilleure candidate pour une « théorie finale ». Mais la dernière version offre un grand nombre de solutions distinctes : 1 suivi par 500 zéros. Chaque solution donne son propre ensemble de lois physiques, et nous n’avons aucune raison évidente d’en préférer une aux autres.

Le multivers inflationniste nous libère de la nécessité de choisir. Si des univers parallèles surgissent dans un faux vide pendant des milliards d’années, chacun pourrait avoir des lois physiques différentes, déterminées par l’une de ces nombreuses solutions à la théorie des cordes.

Si c’est vrai, cela pourrait nous aider à expliquer une étrange propriété de notre propre univers. Les constantes fondamentales des lois de la physique semblent drôlement ajustées aux valeurs nécessaires pour que la vie existe.

Par exemple, si la puissance de la force électromagnétique était juste un peu différente, les atomes ne seraient pas stables. Un petit changement de 4 % empêcherait toute fusion nucléaire dans les étoiles, le processus qui produit les atomes de carbone dont notre corps est en grande partie constitué.

De même, il y a un équilibre délicat entre la gravité, qui maintient la matière, et la soi-disant énergie sombre, qui fait le contraire en provoquant une expansion toujours plus rapide de l’univers. Juste ce qu’il faut pour former les étoiles sans faire s’effondrer l’Univers sur lui-même.

Ce n’est qu’un exemple parmi tant d’autres montrant que l’Univers semble fait pour nous accueillir. Ce qui incite certaines personnes à soupçonner une intervention divine.

Pourtant, un multivers inflationniste, dans lequel toutes les lois physiques imaginables opèrent quelque part, offre une autre explication. Dans tous les univers mis en place pour accueillir le vivant, des êtres intelligents se gratteront la tête en essayant de comprendre leur chance. Dans des univers beaucoup plus nombreux configurés différemment, il n’y a personne pour se poser la question.

Ceci est un exemple du « principe anthropique », selon lequel, puisque des êtres sapiens tels que l’humain (anthropos en grec) existent, l’Univers est nécessairement compatible avec leur existence. Pour beaucoup de physiciens et de philosophes, cet argument est une sorte de triche : un moyen de se soustraire plutôt que d’expliquer le problème de réglage fin.

Ils demandent comment nous pouvons tester ces affirmations. Est-ce que ce n’est pas une forme de défaitisme, d’accepter l’absence de raisons pour que les lois de la nature soient ce qu’elles sont, et de dire simplement que dans d’autres univers, elles sont différentes ? En l’absence d’autre explication, il y aura toujours quelqu’un pour affirmer que Dieu doit avoir configuré les choses de cette façon. L’astrophysicien Bernard Carr l’a dit sans ambages : « Si vous ne voulez pas de Dieu, vous feriez mieux d’avoir un multivers ».

La sélection naturelle cosmique

Un autre type de multivers évite ce que certains considèrent comme le point délicat de ce raisonnement, offrant une solution au problème de réglage fin sans invoquer le principe anthropique. Elle a été formulée par Lee Smolin de l’Institut Perimeter pour la physique théorique à Waterloo, au Canada. En 1992, il a suggéré que les univers pourraient se reproduire et évoluer un peu comme le font les êtres vivants.

Sur Terre, la sélection naturelle favorise l’émergence de traits « utiles » comme la course rapide. Dans le multivers, il pourrait y avoir d’après Smolin une certaine pression qui favorise des univers comme le nôtre. Il appelle ce principe la « sélection naturelle cosmologique ».

Smolin pense qu’un univers « mère » peut donner naissance à des univers « bébé », qui se forment dans son intérieur. L’univers mère peut le faire s’il contient des trous noirs.

Il se forme un trou noir quand une grande étoile croule sous l’attraction de sa propre gravité, écrasant tous les atomes jusqu’à ce qu’ils atteignent une densité infinie. Dans les années 1960, Stephen Hawking et Roger Penrose ont comparé cet effondrement à un mini Big Bang dans le sens inverse. Ceci a inspiré à Smolin l’idée qu’un trou noir pourrait devenir un Big Bang, en engendrant tout un nouvel univers en lui-même.

Si tel est le cas, alors le nouvel univers pourrait avoir des propriétés physiques légèrement différentes de celui qui a fait le trou noir. Ce processus fait penser à des mutations génétiques aléatoires qui sont à l’origine des différences entre les organismes bébé et leurs parents.

Si un univers bébé a des lois physiques qui permettent la formation des atomes, des étoiles et de la vie, il contiendra aussi inévitablement des trous noirs. Cela signifie qu’il peut avoir à son tour plusieurs univers bébé. Au fil du temps, des univers comme celui-ci deviendront plus fréquents que ceux sans trous noirs, qui ne peuvent pas se reproduire.

C’est une belle idée parce que dans cette optique, notre Univers ne peut pas être le fruit du pur hasard. Si un univers réglé finement a surgi par hasard, entouré de nombreux autres univers qui ne sont pas ajustés, la sélection naturelle cosmique signifierait que les univers affinés ultérieurement sont devenus la norme.

L’idée semble un peu floue, mais Smolin souligne qu’elle a un gros avantage : nous pouvons la tester. Si Smolin avait raison, nous devrions nous attendre à ce que notre Univers soit particulièrement adapté à la création de trous noirs. Mais jusqu’à présent, il n’y a aucune preuve que ce soit le cas – et encore moins la preuve qu’un trou noir peut vraiment engendrer un univers entièrement nouveau.

Le multivers brane

Lorsque la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein a fait parler d’elle dans les années 1920, il y a eu quelques spéculations sur la « quatrième dimension » qu’Einstein avait prétendument invoquée. De quoi s’agit-il exactement ? D’un univers caché, peut-être ? En réalité, Einstein ne propose pas une nouvelle dimension. Il affirme tout juste que le temps est une dimension, semblable aux trois dimensions de l’espace. Tous les quatre font partie d’un seul tissu (continuum) appelé espace-temps, que la matière déforme pour produire la gravité.

Et pourtant, d’autres physiciens ont déjà commencé à spéculer sur de véritables nouvelles dimensions dans l’espace. La première hypothèse des dimensions cachées a commencé avec les travaux du physicien Theodor Kaluza. Dans un article de 1921, Kaluza a montré qu’en ajoutant une dimension supplémentaire aux équations de la théorie d’Einstein de la relativité générale, il pourrait obtenir une nouvelle équation qui semble prédire l’existence de la lumière. Cela avait l’air prometteur. Mais où était donc cette dimension supplémentaire ?

Le physicien suédois Oskar Klein a proposé une réponse en 1926. Peut-être que la cinquième dimension était recroquevillée dans un espace infiniment petit : environ un milliard-billion-trillionième de centimètre.

L’idée d’une dimension enroulée peut sembler étrange, mais il s’agit en fait d’un phénomène familier. Un tuyau d’arrosage est un objet en trois dimensions, mais à partir d’une certaine distance, il ressemble à une ligne à une dimension, parce que les deux autres dimensions sont trop petites. De même, il faut si peu de temps pour traverser la dimension supplémentaire de Klein que nous ne la remarquons pas.

Les physiciens ont depuis intégré les idées de Kaluza et Klein dans la théorie des cordes. Elle vise à présenter les particules fondamentales en tant que vibrations d’entités encore plus petites appelées cordes.

Lorsque la théorie des cordes a été développée dans les années 1980, il est apparu qu’elle ne pouvait fonctionner que s’il y avait des dimensions supplémentaires. Dans la version moderne de la théorie des cordes, connue sous le nom de la théorie M, il y a jusqu’à sept dimensions cachées. De plus, ces dimensions n’ont après tout pas besoin d’être compactes. Elles peuvent correspondre à des régions étendues appelées branes (abréviation de « membranes »), qui peuvent avoir plusieurs dimensions. Une brane pourrait être une cachette parfaitement adéquate pour tout un univers. La théorie M postule un multivers de branes de dimensions différentes, coexistant un peu comme une pile de papiers.

Si cela est vrai, il devrait y avoir une nouvelle classe de particules appelées particules de Kaluza-Klein. En théorie, nous pourrions les reproduire, peut-être dans un accélérateur de particules comme le Grand collisionneur de hadrons. Ils auraient des signatures distinctives, parce qu’une partie de leur mouvement a lieu dans les dimensions cachées.

Ces mondes de branes doivent rester tout à fait distincts et séparés les uns des autres, parce que les forces comme la gravité ne passent pas entre eux. Mais si les branes entrent en collision, les résultats pourraient être spectaculaires. En théorie, une telle collision aurait pu déclencher notre propre Big Bang.

Il a également été suggéré que la gravité, unique parmi les forces fondamentales, pourrait produire des « fuites » entre branes. Ces fuites pourraient expliquer pourquoi la gravité est si faible par rapport aux autres forces fondamentales. Comme le soutient Lisa Randall de l’université Harvard : « Si la gravité était étalée sur de grandes dimensions supplémentaires, sa force serait diluée. »

En 1999, Randall et son collègue Raman Sundrum ont suggéré que les branes ne sont pas seulement porteurs de gravité, elles la produisent en courbant l’espace. En effet, cela signifie que la brane « concentre » la gravité, de sorte qu’elle semble faible dans une seconde brane à proximité.

Cela pourrait aussi expliquer pourquoi nous pourrions vivre sur une brane avec un nombre infini de dimensions supplémentaires sans les remarquer. Si leur idée est vraie, il y a énormément d’espace là-bas pour d’autres univers.

Le multivers quantique

La théorie de la mécanique quantique est l’une des plus grandes réussites scientifiques. Elle explique le comportement de très petits objets, tels que les atomes et de leurs particules élémentaires constitutives. Elle peut prédire toutes sortes de phénomènes, des formes des molécules à la façon dont la lumière et de la matière interagissent, avec une précision phénoménale.

La mécanique quantique traite les particules comme si elles étaient des vagues, et les décrit à l’aide d’une expression mathématique appelée la fonction d’onde. Peut-être la caractéristique la plus étrange de la fonction d’onde est qu’elle permet à une particule quantique d’exister dans plusieurs états à la fois. Ceci est appelé la superposition.

Mais les superpositions sont généralement détruites dès que nous mesurons l’objet d’une façon ou d’une autre. Une observation « force » l’objet à « choisir » un état particulier. Ce passage de la superposition à un seul état, provoqué par la mesure, est appelé « la réduction du paquet d’onde ». Le problème, c’est qu’il n’est pas vraiment décrit par la mécanique quantique, de sorte que personne ne sait comment ni pourquoi cette réduction arrive.

Dans sa thèse de doctorat de 1957, le physicien américain Hugh Everett a suggéré que nous pourrions arrêter de nous tourmenter au sujet de la nature délicate de la réduction du paquet d’onde, et juste en finir avec elle. Everett suppose que les objets ne passent pas de plusieurs états à un seul état quand ils sont mesurés ou observés. A la place, toutes les possibilités codées dans la fonction d’onde sont tout aussi réelles. Lorsque nous effectuons une mesure, nous ne voyons que l’une de ces réalités, mais les autres existent également. Ce phénomène est connu comme la «théorie des mondes multiples » de la mécanique quantique.

Everett n’a pas été très précis sur l’endroit où existent réellement ces autres états. Mais dans les années 1970, le physicien Bryce DeWitt a fait valoir que chaque résultat alternatif doit exister dans une réalité parallèle : un autre monde.

Supposons que vous effectuez une expérience dans laquelle vous mesurez le chemin d’un électron. Dans ce monde, il va dans un sens, mais dans un autre monde, il va d’une autre manière. En fait, pour la réaliser, vous devez construire tout un univers parallèle autour de ce seul électron, avec un observateur parallèle pour prendre les mesures. Autant dire qu’il s’agit d’une expérience irréalisable en pratique, une pure expérience de pensée, comme le chat de Schrödinger.

D’après DeWitt, toute interaction entre deux entités quantiques, disons un photon de lumière réfléchi par un atome, peut produire des résultats alternatifs et donc des univers parallèles. Comme l’affirme DeWitt, « chaque transition quantique qui aura lieu sur chaque étoile, dans chaque galaxie, dans chaque coin reculé de l’univers scinde notre monde local sur terre en une myriade de copies ».

Tout le monde ne voit pas l’interprétation d’Everett de cette façon. Certains disent qu’elle est en grande partie une commodité mathématique, et que nous ne pouvons pas dire quelque chose de significatif sur le contenu de ces univers alternatifs.

Mais d’autres prennent au sérieux l’idée qu’il existe d’innombrables observateurs créés à chaque fois qu’une mesure quantique est prise. Le multivers quantique doit être dans un certain sens réel, disent-ils, parce que la théorie quantique l’exige et que la théorie quantique fonctionne.

Soit vous acceptez cet argument, soit vous ne le faites pas. Mais si vous l’acceptez, vous devez également accepter quelque chose d’assez troublant.

Les autres types d’univers parallèles, tels que ceux créés par l’inflation éternelle, sont vraiment d’ »autres mondes ». Ils existent ailleurs dans l’espace et le temps, ou dans d’autres dimensions. Ils peuvent contenir des copies exactes de vous, mais ces copies sont séparées, comme un sosie vivant sur un autre continent.

En revanche, les autres univers de la « théorie des mondes multiples » n’existent pas dans d’autres dimensions ou d’autres régions de l’espace. Au lieu de cela, ils sont ici, superposés sur notre Univers, mais invisibles et inaccessibles. Les autres identités qu’ils contiennent sont vraiment d’autres « vous ».

En fait, la notion de « vous » n’a pas de sens du tout. « Vous » devenez des êtres distincts un nombre incalculable de fois chaque seconde : il suffit de penser à tous les événements quantiques qui se produisent lorsqu’un signal électrique unique se déplace le long d’un seul neurone dans votre cerveau. « Vous » disparaissez dans la foule. En d’autres termes, une idée qui a commencé comme une commodité mathématique finit par impliquer qu’il n’y a pas une telle chose comme l’individualité.

Test du multivers

Étant donné les implications étranges des univers parallèles, vous n’êtes pas obligé d’y croire. Mais qui sommes-nous pour juger de ce qui est bizarre et ce qui ne l’est pas ? Les idées scientifiques se maintiennent ou s’effondrent indépendamment de notre ressenti, grâce aux essais expérimentaux.

Et c’est ça qui pose problème. Un univers alternatif est séparé du nôtre. Par définition, il est hors de portée et hors de vue. Nous ne pourrons probablement jamais le visiter pour confirmer qu’il existe. Donc la question est de savoir si on peut imaginer d’autres façons de tester l’existence d’univers entiers que nous ne pouvons pas voir ou toucher.

Si d’autres univers ne peuvent pas être expérimentés directement, il pourrait être possible de trouver des preuves pour appuyer le raisonnement qui stipule leur existence. Par exemple, nous avons pu trouver des preuves solides, mais pas décisives, en faveur de la théorie inflationniste du Big Bang. Certains sociologues ont proposé qu’un multivers inflationniste pourrait être testé de façon plus directe. Une collision entre la bulle de notre Univers et la bulle d’un autre devrait laisser des traces détectables dans le fond diffus cosmologique – à condition d’être suffisamment près pour les voir.

De même, les expériences envisagées pour le Grand collisionneur de hadrons pourraient permettre de trouver des preuves des dimensions et des particules supplémentaires impliquées par la théorie des branes.

Certains soutiennent que la vérification expérimentale est de toute façon surévaluée. Ils disent que nous pouvons tester la validité d’une idée scientifique par d’autres moyens, comme la logique. Enfin, nous pourrions faire des prévisions statistiques.

Par exemple, nous pourrions utiliser la théorie multivers inflationniste pour prédire quelles valeurs des constantes physiques pourraient apparaître dans la plupart des univers, puis voir si celles-ci sont proches de celles que nous voyons – selon le principe que la place que nous occupons dans le multivers n’a rien de spécial.

En tout cas, il semble étrange que le multivers ne cesse de surgir partout où nous regardons. « Il s’est avéré remarquablement difficile d’écrire une théorie produisant exactement l’univers que nous voyons et rien de plus », dit le physicien Max Tegmark.

Même ainsi, rien ne permet d’espérer que les titres des journaux annonceront la découverte d’un autre univers d’un moment à l’autre. A l’heure actuelle, ces idées se situent à la frontière de la physique et de la métaphysique.

Alors, en l’absence de tout élément de preuve, voici un classement grossier et franchement subjectif des probabilités des différents multivers, par ordre décroissant.

Le multivers patchwork est difficile à éviter – si notre Univers est vraiment infini et uniforme.

Le multivers inflationniste est assez probable si la théorie inflationniste est vraie, pour l’heure l’inflation est notre meilleure explication pour le Big Bang.

La sélection naturelle cosmique est une idée ingénieuse, mais implique la physique spéculative, et il reste beaucoup de questions sans réponse.

La théorie des branes est beaucoup plus spéculative, parce qu’elles ne peuvent exister que si toutes ces dimensions supplémentaires existent, et il n’y a aucune preuve directe de cela.

Le multivers quantique est sans doute l’interprétation la plus simple de la théorie quantique, mais elle est aussi vaguement définie et conduit à une vue incohérente de l’identité. Si l’astronomie vous passionne, vous pouvez découvrir la passionnante aventure scientifique qui a permis aux chercheurs d’observer les ondes gravitationnelles.